O interior dos canos subaquáticos e dos contentores nucleares fechados eram inacessíveis – até recentemente. Pesquisadores de acústica da Faculdade de Engenharia da Penn State desenvolveram uma maneira de transmitir energia e transmitir comunicações através de paredes metálicas usando ultrassom.



Eles publicaram sua inovação, um metamaterial acústico baseado em pilares que opera na faixa de frequência de ultrassom, em Physical Review Applied . O trabalho pode ter implicações para a pesquisa no espaço, segundo os pesquisadores.

“Se você quiser alimentar um dispositivo, como um sensor de temperatura, dentro de um invólucro de metal como um tubo, as ondas ultrassônicas podem transportar essa energia para o dispositivo”, disse Yun Jing, professor de acústica e engenharia biomédica e autor correspondente do artigo. . “Mas anteriormente, as ondas não podiam passar através de barreiras metálicas que bloqueariam o som, a menos que os transdutores estivessem em contato direto com a barreira”.

Os pesquisadores criaram um metamaterial baseado em pilares:um conjunto de pequenos pilares cilíndricos posicionados em uma placa de metal que funcionam como ressonadores, que vibram ou oscilam para criar ressonância acústica.

Quando o metamaterial está situado entre um transmissor transdutor e um receptor, ele aumenta dramaticamente a taxa de transmissão de energia ultrassônica através de uma barreira metálica, sem exigir contato direto entre os transdutores e a barreira. Anteriormente, ondas fracas de ultrassom podiam passar através do metal, mas não tinham energia suficiente para alimentar um sensor ou transmitir mensagens através do metal.

"Com uma extremidade estreita e uma extremidade mais larga como um pilar, o metamaterial acústico é projetado como um ressonador acústico", disse o primeiro autor Jun Ji, que recentemente obteve seu doutorado em acústica pela Penn State. “O formato do metamaterial permite a transmissão e recepção sem fio de ultrassom através de uma barreira metálica.”

Os pesquisadores testaram a função da amostra de metamaterial em dois experimentos. No primeiro, eles transmitiram energia sem fio através de uma placa de metal com o metamaterial usando um transmissor ultrassônico e um receptor, alimentando com sucesso uma luz LED do outro lado. Isto confirmou a capacidade do metamaterial de transmitir energia através de paredes metálicas.

Em um segundo caso de teste, eles transmitiram uma imagem das letras “PSU” através de uma placa metálica com o metamaterial utilizando sinal ultrassônico codificado, confirmando que as comunicações são possíveis com o uso do metamaterial fortalecendo a transmissão das ondas ultrassônicas através de barreiras metálicas.

A comunicação sem fio e a energia para espaços fechados podem fornecer soluções para engenheiros em diversas áreas, como a exploração espacial, explicou Ji. Recipientes de metal, por exemplo, transportando amostras de outros planetas exigiriam uma alternativa sem fio para manter a energia elétrica e as comunicações.

“Para evitar a contaminação potencial das amostras trazidas de volta à Terra, o contêiner precisará de sensores sem fio para identificar e comunicar vazamentos de pressão”, disse Ji.

As comunicações de ultrassom – com a adição do metamaterial – podem ser a solução para levar as amostras de volta à Terra nas condições em que foram coletadas, disse Ji.

Mais informações: Jun Ji et al, Transferência de energia ultrassônica sem fio e sem contato habilitada por metamaterial e transmissão de dados através de uma parede metálica, Physical Review Applied (2024). DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.014059
Informações do diário: Revisão Física Aplicada

Fornecido pela Universidade Estadual da Pensilvânia